Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Биологическая активность дерново-подзолистых почв 8
Окультуренные дерново-подзолистые почвы и вопросы их диагностики 11
Свободные аминокислоты в почве 18
Целлюлазная активность 22
Лабораторное моделирование 25
Дождевые черви (Lumbricidae, Oligochaeta)... 27
Раковинные амебы (Testacida, Protozoa) . 32
Глава 2. Объекты и методы исследования 41
Определение целлюлазной.активности 61
Суммарное количество свободных аминокислот и белков в почве 62
Лабораторный опыт 63
Учет дождевых червей 67
Исследование раковинных амеб 68
Изучение раковинных амеб в ненарушенных образцах почвы методом электронной сканирующей микроскопии 71
Глава 3. Динашка биологической активности дерново-подзолистых почв разной степени гидроморфизма 73
Содержание свободных аминокислот и белков 73
Целлюлазная активность 81
Лабораторным опыт 86
Раковинные амебы 91
Дождевые черви 94
Глава 4. Динамика биологической активности дерново-подзолистых почв разной степени 103
Содержание свободных аминокислот и белков 103
Целлюлазная активность 108
Лабораторный опыт 111
Раковинные амебы 114
Дождевые черви 116
Изучение ненарушенных образцов почвы методом сканирующей электронной микроскопии 124
Глава 5. Биологическая активность окультуренных дерново-подзолистых почв в связи с их диагностикой 142
Биохимические показатели 143
Зоологические показатели 15(5
Анализ показателей биологической активности окультуренных дерново-подзолистых почв . 169
Выводы 172
Литература 175
Приложение 217
- Дождевые черви (Lumbricidae, Oligochaeta)...
- Суммарное количество свободных аминокислот и белков в почве
- Изучение ненарушенных образцов почвы методом сканирующей электронной микроскопии
- Анализ показателей биологической активности окультуренных дерново-подзолистых почв
Введение к работе
Дерново-подзолистые почвы составляют примерно 20$ пахотного фонда нашей страны. Сложная история формирования почв и разнообразные ландшафтные условия предопределили значительную вариабельность их свойств. Вовлечение почв в сельскохозяйственное использование изменяет их морфологические, химические, физические свойства и их биологическую активность. Биологическая активность является важным показателем состояния почв, она отражает объективные и закономерные связи между почвенными условиями и населяющей почву биотой. Использование биологических характеристик почвы в комплексе диагностических показателей для определения степени их окультуренности признаётся необходимым, но экологический аспект этой проблемы в настоящее., время изучен неудовлетворительно. В связи с этим характеристика биологической активности окультуренных дерново-подзолистых почв -содержание свободных аминокислот и белков, целлюлазной активности, видового состава и численности животного населения (дождевых червей, раковинных амёб) представляет значительный теоретический и практический интерес для почвенно-генетических и почвенно-мелиоративных исследований.
При оценке состояния почвы на первое место выходят показатели интенсивности биологических процессов, отличающихся большой динамичностью. Закономерности биологической динамики содержат информацию о законах функционирования почвенной биоты и свойствах почвы, что определяет актуальность проведения работ в этой области.
Использование аппликационных методов, позволяющих проводить наблюдения непосредственно в поле, способствует определению актуальной биологической активности почв. Эти методы (содержание свободных аминокислот и белков, целлгалазная.активность) широко применяются как в нашей стране (Востров, Петрова, 1961; Мишустнн, Петрова, 1963, 1966; Востров, Долгих, 1977) , так и за рубежом (Latter, Howson, 1977; Walton, Allsopp , 1977; Pantera, 1980 и др.).
Исследование структуры населения почвообитающих раковинных амёб (Testacida, Protozoa) В биодиагностических ЦЄЛЯХ еще не получило широкого распространения из-за малой изученности этой группы почвенных простейших и сложности методов их изучения. Чувствительность некоторых видов амёб к изменению почвенных условий - характеру растительного опада, гумуса и гидротермического режима позволяет отнести их к числу перспективных биологических показателей состояния почв (Гиляров , 1955, 1965).
Такие крупные почвенные беспозвоночные, как дождевые черви (Lumbricida, Oligochaeta) имеют важное биодиагности-ческое значение, поскольку средой их обитания служит вся.почва (Гиляров, 1976). Несмотря на значительное число работ, посвященных изучению дождевых червей в дерново-подзолистых почвах, использование их для оценки степени окультуренности не проводилось.
В настоящей работе был разработан новый метод изучения микроорганизмов в ненарушенных почвенных образцах с. помощью электронной сканирующей микроскопии. Прямое наблюдение почвенных простейших и микроорганизмов непосредственно в почве от-
крывает новые возможности в почвенных экологических исследованиях.
Новизна работы заключается в изучении динамики комплек- / са биохимических и зоологических показателей дерново-подзолис- »р тых почв разной степени окультуренности и гидроморфизма.
Полевые наблюдения проводили в 1977, 1978, 1980-1982 гг. на территории Рузского гидромелиоративного стационара Мосгип-роводхоза и в 1980-1982 гг. на агробиологической станщш "Чаш-никово" Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова (Рузский и Солнечногорский районы Московской области).
Непосредственный объект наблюдения - дерново-подзолистые средне- и тяжелосуглинистые почвы разной степени гидроморфизма и дерново-подзолистые средиееуглинистые почвы разной степени окультуренности (целинные и окультуренные варианты). Всего было заложено 13 опорных разрезов.
В задачи исследований входило: изучение годовой и сезон-
ной динамики биологической активности (содержание свободных [
аминокислот и белков, целлюлазная активность, видовой состав і
и численность дождевых червей) в ряду почв разной степени
окультуренности и в ряду окультуренных почв разной степени. .
гидроморфизма; выявление особенностей биологической активное--,
ти, количества и видового состава дождевых червей и раїсовинньїх
амёб в дерново-подзолистых почзах в зависимости от степени .
і окультуренности и гидроморфизма; разработка прямого метода ис-^
следования раковинных амёб в ненарушенных образцах почвы с по-''
мощью электронного сканирующего мікроскопа; выявление возмож-|
ности практического применения биохимических и зоологических
показателей для диагностики степени окультуренности дерново-
подзолистых почв.
Автор искренне благодарен научному руководителю старшему научному сотруднику Ю.Г.Гельцеру за постоянную поддержку и помощь в работе, Г.А.Коргановой и О.И.Чибисовой за помощь и советы при освоении группы простейших, С.А.Шобе за практическую помощь в приобретении навыков работы на электронном . микроскопе, а также сотрудникам кафедры географии почв за ценные консультации и дружеское участие при выполнении работы.
Дождевые черви (Lumbricidae, Oligochaeta)...
Дождевыми червями называют крупных почвенных олигохет, объединенных в группу Megadriii на основе морфологических признаков и особенностей. В группу входят несколько семейств, из которых на территорші СССР распространены в основном представители семейства Lumbricidae (Перель, 1979). Первым! научными исследованиями о значении дождевых червей в формировании плодородного почвенного слоя были работы Ч.Дарвина (Дарвин, 1882, 1936). С тех пор дождевые черви привлекли внимание и почвоведов (Высоцкий;1898, 1930, 1938; Тюрин, 1937, 1940; Димо, 1938). Вышли монографии, посвященные роли дождевых червей в почвообразовательных процессах и. их влиянию на плодородие почв (Соклов, 1956; Зражевский,1957; Атлавините, 1975). Отмечалась роль дождевых червей в разрушении растительного опада (Перель, Соколов, 1964; Perel ., Karpachevsky, 1970; Перель, 1979; Стриганова, 1980; Козловская, 1982), в создании водоустойчивой структуры почвы (Высоцкий, 1900, 1930; Бахтин, Польский, 1950; Пономарева, 1949, 1953), в формировании гумусного горизонта (Докучаев, 1883; Тюрин, Пономарева, 1949, 1953), в повышении урожайности сельскохозяйственных культур (Архангельский, 1929; Балуев, 1969; Атлавините, 1978) и т.д. Первое исследование фауны дождевых червей в нашей стране было проведено Н.М.Кулагиным (1886, цит. по Т.С.Перель, 1979). В публикации И.И.Малевича (1959) список Lumbricidae насчитывает 75 видов. Впоследствии было показано, что 25$ ви дов этого списка оказались синонимами ( церель, 1979). В монографии Т.С.Перель (1979) список дождевых червей на территории СССР насчитывает уже 97 видов и 4 подвида. В последнее время все чаще исследователи привлекают дождевых червей для использования в работах биодиагностического направления (Добровольский, Гельцер, 1958; Гельцер,1963, 1971, 1975, 1976, 1980; Алейникова, 1976; Пузаченко, Минеева, 1980). В семейство I/umbricidae Claus, 1876 (Jamieson, 1978) входит более 200 видов, из них на территории Советского :Сою-за обнаружено 85 видов и 4 подвида (Перель, 1979).
В зоне южной тайги и в зоне смешанных лесов найдено, не многим более-10 видов, принадлежащих, как правило, к 4-6 родам. Для определения видов используют следующие морфологи ческие характеристики: длина, максимальная ширина, форма тела и хвостового конца, число сегментов, наличие пигментации, форма головной лопасти, расстояние между.щетинками, внешние половые признаки и др. Для определения родовой принадлежнос ти предложено использовать особенности строения выделительной системы: наличие, форма и ориентация нефридиальных пузырей (Перель, 1979). . . Дождевые черви - сапрофаги. Некоторые питаются слабо-разложившимся растительным опадом (Lumbricus terrestris), другие детритом (Nicodrilus caliginosus). Различия между . этими группами в приспособительных признаках позволили выделить два морфо-экологических типа (Перель, 1975, 1977, 1979). Было показано, что при прохождении растительного опада через кишечник дождевых червей происходит увеличение поверхности растительных остатков (Стриганова, 1980). Масса растительного опада, которую пропускают дождевые черви через свой кишечник, составляет от 35 до 105 т/га. Если оградить опад от дождевых червей, то его разложение происходит в 2-3 раза медленнее (Перель, Карпачевский, 1971). Содержание целлюлозы в копроли-тах дождевых червей значительно возрастает по сравнению с количеством этого фермента в пище (Козловская, 1974, 1976, 1982). Обменные процессы у потребителей растительного опада идут интенсивнее, чему потребителей детрита (Вызова, 1965). Увеличение поверхности растительных остатков и детрита, высокая активность ферментов в кишечнике дождевых червей способствует частичной минерализации опада. Дождевые черви в некоторых условиях способны питаться также почвенными водорослями и грибами (Штина, Голлербах, 1976; Атлавините, 1978; Стри-ганова, 1980; Козловская, 1981). По характеру вертикального распределения в почве дождевые черви были разделены на три группы (Перель, 1979): I) верхнеярусные (гумусовых горизонт); 2) среднеярусные -проникающие до 40-60 см; 3) нижнеярусные - с постоянными ходами до 1,5 м и глубже. Различают два основных морфо-экологических типа люмбри-цид - питающиеся на поверхности почвы и питающиеся почвенным перегноем или собственно- почвенные. Каждый из типов подразделен на три группы по характеру вертикального распределения (Перель, 1979). Работами М.С.Гилярова (1947, 1953, 1968 и др.) показано, что вертикальное распределение в почве гумуса, корневых систем и почвенных животных взаимосвязано в один динамический комплекс. В зоне смешанных лесов с высокой численностью люмбри-цид скорость разложения растительного опада обусловлена деятельностью дождевых червей (Перель, 1978).
В пахотных почвах они перетаскивают солому с поверхности вниз, перемешивают пахотный слой и тем самым ускоряют разложение органики (Атлави-ните, 1978). В экскрементах дождевых червей повышается концентрация фульвокислот и гуминовых кислот, происходит новообразование и стабилизация гумусовых веществ путем формирования глинисто-гумусовых комплексов, снижается отношение C/N по сравнению с пищей, увеличивается общее количество углерода, воднорастворимых Сахаров и пектина, свободных амінокислот, азота, подвижных форм фосфора, калия (Соколов, 1956; Зражевский, 1957; Козловская, 1965, 1976, 1982; Стриганова, 1968, 1980; Атлавините, 1975; Sharpey, Syers, 1977). В коп-ролитах увеличивается содержание протеолитических ферментов, уреазы, интенсифицируется деятельность аммонификаторов, оли-гонитрофилов. Всё это способствует тому, что процесс гумификации продолжается и в копролитах. Они долго сохраняются в почве и не разрушаются под действием влаги (Высоцкий, 1900; Димо, 1938; Пономарева, 1949, 1953; Зражевский, 1957).
Суммарное количество свободных аминокислот и белков в почве
Содержание свободных аминокислот и белков в почве определяли аппликационным методом (Востров, Петрова, 1961; Мишус-тин, Петрова, 1963, 1966).
Льняная или хлопковая ткань, экспонированная в почве, под воздействием микроорганизмов содержит значительное количество их клеток и метаболитов. Колонии бактерий хорошо проявляются на белок нингидрином. Твердо установлено, что все физиологические активные вещества, в их числе и ашшокислоты, могут длительное время сохраняться в почве, особенно в. определенных микрозонах (Звягинцев, 1977). Но в то же вретля адсорбцию, аминокислот без воздействия на ткань микроорганизмов не.наблюдали (Востров, Долгих, 1977). Содержание свободных амінокислот в почве находится в прямой зависимости от численности и активности почвенных микроорганизмов.
Экспонированную в почве ткань после взвешивания для определения целлюлазной активности и обработки раствором нинги-дрина в ацетоне помещали в пробирки, обрабатывали 5-ю мл 0,005%-го раствора CuSO. в 75%-ном этиловом спирте. Полученные растворы калориметрировали на фотокалориметре.с синим фильтром. В качестве контроля использовали обработанные по этой же методике неэкспонированные кусочки ткани. Для построения калибровочного графика использовали раствор лейцина.
Для изучения биологической активности дерново-подзолистых почв разной степени окультуренности и гидроморфизма из исследуемых почв было взято 9 монолитов. В 1978 г. число монолитов было равно четырем. В целинном и окультуренном вариантах были представлены дерново-подзолистая суглинистая и дерново-подзолистая глееватая тяжелосуглинистая почвы (Рузский стационар). В 1981 г. исследовали 5 монолитов: дерново-подзолистые слабо-, средне- и сильноокультуренные, а также суглинистая и супесчаная почвы под лесом.
Для проведения лабораторного опыта были изготовлены из_ листового плексигласа восемь ящиков размером 21 х .30 х 36 см, в которые помещали монолиты. Все стенки были съёмные, и крепились винтами. В днищах ящиков просверлили сквозные отверстия для поступления и оттока воды из монолита.. Ящик с. монолитом помещали в водонепроницаемую коробку, на дне.которой находились стеїсляннне палочіш для беспрепятственного поступления воды из коробки в ящик с монолитом (рис. О). Между монолитом и дном коробки помещали прокаленную стеклоткань для предупреждения выноса ила из монолита (рис. _;3).
В лабораторных условиях были заданы три режима увлажнения - воздушно-сухое состояние, капиллярное насыщение и полное обводнение (Яковлев, 1981; Бобров, 1982). В течение всей работы ящики с монолитами были закрыты светонепроницаемой пленкой и находились при постоянной температуре и влажности воздуха (16-18, 65-75%). Аппликационными методами изучали влияние степени увлажнения монолитов на разложение хлопчатобумажной ткани и накопление на ней свободных аминокислот и белков.
Срок экспозиции аппликаций - 14 дней. Срок экспозиции выбран эмпирически, исходя из предположения, что за это время происходит стабилизация основных физико-химических, химических и биологических процессов. Окислительно-восстановительные условия в почве характеризуются прежде всего величиной их окислительно-восстановительного потенциала. Окислительно-восстановительный потенциал почв является величиной неустойчивой и динамичной, изменение потенциала вызывается биохимическими процессами. Измерение окислительно-восстановительного потенциала почв проводили с помощью электронного автокомпенсатора ЭСК-1. В работе использовали электроды из химически чистого прессованного угля цилиндрической формы длиной 90 мм и диаметром 8 мм. Электроды с помощью металлического пробойника помещали в генетические горизонты. Пригодность угольных электродов была исследована Э.Н.Кузьминой (1964) в лаборатории электроразведки кафедры геофизики геологического факультета МГУ. Автор показала возможность применения угольных электродов для геофизических исследований, отметив, что поляризация их невелика.
Изучение ненарушенных образцов почвы методом сканирующей электронной микроскопии
На поверхности блоков почвы и фрагментов полуразложившегося растительного опада - листовых пластинках древесных пород и трав, хвои ели, мелкого древесного и кустарникового опада наблюдали мицелий грибов и актиномицетов (рис. 28 а, б), отдельные раковинки тестаций (рис..28 в, г, д, ж) и значительные скопления раковинных амёб (рис. 29 а, б, в, г).
Электронномикроскопические снимки при объемности изображения, больших увеличениях (порядка 5-Ю тыс.), возможности поворачивать препарат под нужным углом дают полное представление о структуре поверхности раковинки, расположении покрывающих её элементов (ксеносом и идиосом), строении псевдостома. Эти детали имеют валеное значение для определения видов. Так, например, раковина Euglypha strigosa имеет массивные приустьевые идиосомы, на внутренней стороне которых обнаруживаются изогнутые конические шипы (рис. 29 д). Подобные шипы можно обнаружить по периферии псевдостома Trinema lineare (рис. 29 ж). Возможное назначение этих шипов - препятствовать проникновению внутрь раковины хищных нематод, но до конца их роль в жизни раковинных амёб не ясна.
Раковинные амебы, имеющие уплощенную вентральную подошву (центростомный, плагиостомный и криптостомный экологоморфоло-гические типы раковин) в естественных условиях, при питании и передвижении располагаются, как правило, вниз устьем.псевдостома и вверх дорзальной стороной раковины, например, Сусіо-pyxis sp. (рис. ЗО а). На рис. 30 б видна дорзальная сторона раковины Centro-pyxis sp., находящейся на поверхности хвоинки ели; справа -отверстие устьица листа. Хорошо просматриваются ксеносомы -минеральные частицы, инкрустирующие раковинку.
Живые особи, имеющие акростомный экоморфотип раковины, либо плагиостомный со слабым смещением устья (Trinema sp. рис. 30 в, д, ж; Tracheleuglypha sp. рис. 30 г), часто передним несущим псевдостом концом заглубляются в ткани листовой пластинки так, что на поверхности остается только задняя часть раковины. Поверхность разрушающихся листьев березы, осоки и других из почвенной подстилки оказывается перфорированной мелкими отверстиями, диаметр которых соответствует диаметру псев-достома раковин эуглиф, тринем и прочих мелких почвенных тес-тации (рис. 31 а, б, в, г). Можно предположить, что эта эрозия листовых пластинок - следы прямого разъедания растительной ткани раковинными амёбами. На рис. 31 г хорошо видно, как "оплавившуюся" растительную ткань вокруг отверстия заселяют микроорганизмы.
Сохранившиеся раковины мертвых особей часто оказываются лежащими вверх псевдостомами. На рис. ЗІ д мы видим в таком положении раковину Cyclopyxis kahii,. лежащую среди удлиненных юитолитов на поверхности разрушающегося березового листа; рядом находится меньших размеров раковина тринемы, а на раковине циклопиксиса развиваются гифы актиномицетов. После гибели простейших минеральные компоненты раковин почвенных теста-ыий вовлекаются в почвенную массу и в какой-то степени способствует аккумуляции кремнезема в верхних почвенных горизонтах.
В достаточно увлажненных почвах при наличии органического вещества в виде растительного опада раковинные амебы находят в активном состоянии. Это подтверждается нахождением делящихся особей (рис. 32 а).
Вопрос о размножении раковинных амеб и существовании у них полового процесса остается дискуссионным. В специальной литературе имеются указания на возможную копуляцию клеток раковинных амеб (Schonborn, 1966). Как на поверхности почвенных блоков, так и на растительном материале мы постоянно встречаем соединенные псевдостомами клетки Trinema lineare. Три-немы могут быть различной величины (рис. 32 а, в), либо одного размера (рис. 32 б), но всегда имеют хорошо сформировавшуюся раковину. Последнее позволяет предположить, что здесь возможен процесс копуляции. Либо недавно открытый у простейших (Серавин, Гудков, 1982) парасексуальный процесс, при котором происходит только обмен цитоплазматического материала без деления особей. В то же время на рис. 32 а хорошо видно, что у меньшей по размерам раковинки идиосомы перекрывают друг друга, как это имеет место у эуглшр (рис. 31 ж). У более крупной тринемы идиосомы расположены отдельно, и в промежутках между ними находятся мелкие образования округлой и неправильной формы, определяющие сплошную целостную структуру раковины. Здесь, по-видимому, наблюдается образование и рост новой клетки тринемы после простого деления материнской. Во время роста дочерней клетки происходит "растягивание" не жестко скрепленных идиосом и в дальнейшем перекрывающие друг друга идиосомы расходятся и располагаются отдельно, как у взрослой особи. В задачу нашей работы детальное изучение биологии раковинных амеб не входило, и мы поэтому останавливаемся только на тех важных моментах, которые с нашей точки зрения доказывают активность раковинных амёб в почве.
Анализ показателей биологической активности окультуренных дерново-подзолистых почв
В работах биодиагностического направления наиболее перспективным считается использование комплексного подхода к изучению биологической активности почв: микроорганизмы и животное население почв, биохимические показатели (Добровольский, Гельцер, 1376). Наибольшее индикационное значение при анализе состояния почв имеют крупные почвенные беспозвоночные (многоножки, личинки насекомых, дождевые черви и др.). Антропогенное нарушение режима почв, связанное с их хозяйственным освоением (распашка, осушение, орошение и т.п.) приводит к изменению природного почвообразовательного процесса, которое влияет на весь комплекс почвообитающих животных (Гиляров, 1965,1976).
В зоологической диагностике почв в настоящее время намечено три направления (Гиляров, 1978) - изучение почвенных животных как фактора почвообразования, определение экологической валентности почвенных видов, установление в почве следов деятельности животных, принимавших участие в образовании почвы и в настоящее время исчезнувших.
Изучение особенностей зоогеограсоичєсішх связей и экологическая характеристика почвенной фауны позволили їїї.С.Гиляро-ву и Т.СПерель (1373) установить своеобразие буроземов Дальнего Востока и получить результаты, хорошо согласующиеся с почвенными исследованиями.
Наряду с использованием почвенных животных в диагностике почв, нерешенными окончательно остаются вопросы направленной перестройки почвенной фауны (Гиляров, IS63) и разработки методов зоологической бонитировки почв (Іірнволуцкий, 1975).
Дождевые черви представляют собой практически идеальный биоиндикатор изменений окружающей среды, не способный к активной миграции, сохраняющий относительно высокую численность с продолжительной активной жизнью (Балуев, 1963; ІСриволуцкий, 1978). Они могут служить индикаторами условий в луговых и пахотных почвах, так как чутко реагируют на влагообеспеченность почв (Криволуцкий, 1975).
Первоочередной задачей в зоологической диагностике почв по-прежнему остается унификация методов учета и обработки данных (Гиляров, 1975; Мордкович, 1978). Основные трудности зоо-диагностики заключаются также и в недостаточно полной разработке принципов диагностики почв, хотя в последнее время этому вопросу уделяется все большее внимание (Мордкович, 1978). При работе с зооиндикаторами нужно всегда учитывать динамику числа видов и численности особей в сезоне и их пространственную вариабельность. Важно не только наличие диагностирующего вида в той или иной почве, но и его численности, поскольку вид на изменения условий обитания реагирует в первую очередь численностью особей (Гиляров, 1965; мордкович, 1977). Часто в данных по численности лгамбрицнд не содержится информации о времени их сбора, а число проб (0,25 оьг) редко превышает 4 (Перель, 1979). В то же время обеспечение репрезентативности выборки довольно часто связано со сложностями практического характера - ростом числа позторностей. Например, для восстановления видовой структуры полного планктонного сообщества водоема размером I а/г и глубиной 10 см необходимо более 3 человеко-лет работы (Левич, IS80). Тем не менее учет пространственного фактора в биодинамических исследованиях необходим. В настоящее время широкое распространение начинают получать математические и статистические методы обработки результатов исследования - многофакторный дпсперсиошшй анализ (Звягинцев, Заіщева, 1980), децнлько-интервальный классификационный метод (Шорников, 1979) и другие.
Проведенные наші исследования показали, что биохимические и зоологические показатели могут быть использованы в биологической диагностике окультуренности дерново-подзолистых почв. Изучение биологической активности почз необходимо проводить в сезонной динамике с учетом местоположения почв в рель-ейе.
